Laser a laserové technológie
Laser a laserové technológie
Úvod
Nasledujúci projekt sa zaoberá lasermi
a využitím laserových technológií v praxi. Niektorí z nás sa prvý krát s laserom stretli v sci-fi filmoch, ale lasery sa dajú využiť
aj v omnoho užitočnejších veciach. Táto technológia má široké spektrum využitia, počnúc meracími zariadeniami, informačnými
technológiami, liečením rôznych chorôb, na opracovanie najtvrdších materiálov až po obranné zariadenia a žiaľ aj ničivé zbrane.
Niekedy si ani neuvedomíme, kde všade sa môžeme s nimi stretnúť a poniektorí si ani nevšimli, že sa lasery stali súčasťou nášho
každodenného života. Preto náš zámer je túto polstoročia starú problematiku priblížiť širokej verejnosti. V tejto práci sa teda
môžete stretnúť s históriou vzniku laserov, princípom ich fungovania, základnými vlastnosťami, s doposiaľ vyvinutými druhmi laserov a ich
využitím v bežnom živote. Napriek doterajším rôznym pokusom s touto technológiou, ľudstvo ešte zatiaľ neprišlo na to, ako plne
efektívne využiť potenciál tejto pokrokovej technológie. Táto téma a jej perspektíva nás zaujala natoľko, že sme sa jej začali venovať,
zvolili si ju a rozhodli sa spracovať do konečnej podoby. Týmto by sme vám ju chceli teraz priblížiť a vzbudiť záujem o túto problematiku
ako aj o fyziku samu o sebe.
1 Všeobecne o laseroch
1.1 História
Laser je vynález,
ktorý slávi svoje 50. narodeniny. Vlastný názov laser vznikol ako skratka zostavená z počiatočných písmen anglického názvu „zosilnenie
svetla s využitím stimulovanej emisie žiarenia (anglicky Light Amplification by means of Stimulated Emission of Radiation), starší názov MASER (
Microwave ....)
Prvý funkčný laser bol zostrojený americkým fyzikom T. Maimanom v roku 1960. Po predchádzajúcich neúspechoch
svojich kolegov sa rozhodol o miernu úpravu rubínu, ktorý bol dôležitou súčasťou najmä vďaka jeho schopnosti fotoluminiscencie.
Fotoluminiscencia je fyzikálny jav, pri ktorom teleso (látka) vyžaruje väčšie množstvo svetla, než by vyžarovalo absolútne čierne teleso
rovnakej teploty, vďaka elektromagnetickému žiareniu. Vyleštil koncové steny kryštálu umelého rubínu a upravil ju vrstvičkou striebra (aby
fungovala ako zrkadlo). Keď potom ožiaril kryštál zeleným svetlom prenikol jedným zo zrkadiel červený lúč laserového svetla. A tak stal
tvorcom prvého laseru.
No základy laseru siahajú ešte ďalej. Dokonca aj známy fyzik A. Einstein prispel k jeho vynájdeniu, teóriou o
princípe indukovanej(stimulovanej) emisie v roku 1916. Lasery využívajú stimulovanú emisiu. Atómy sa zrážkami s elektrónmi
dostávajú do metastabilného stavu, čo je vlastne excitovaný(nabudený) stav. V dôsledku dlhej doby života tohto je v zmesi oboch látok
dostatok excitovaných atómov jednej látky, a tie zrážkami excitujú atómy druhej látky, ktoré sa potom nachádzajú v excitovanom stave
s vyššou energiou . Spontánna emisia jediného fotónu pri prechode atómu druhej látky zo stavu s vyššou energiou
do stavu s nižšou energiou stimuluje emisiu ďalšieho fotónu; reťazová reakcia stimulovanej emisie fotónov a ich odrazy medzi
rovnobežnými zrkadlami vytvoria koherentný zväzok červeného svetla. Atómy prvej látky spontánnou emisiou rýchlo
prechádzajú zo stavu s nižšou energiou, do základného stavu s energiou E0 = 0 eV a sú pripravené
na ďalšiu excitáciu. Neskôr jeho myšlienky rozvinuj aj anglický vedec P. Dirac. No potrebné výpočty dokončil až so svojimi
spolupracovníkmi Charles Hard Towens, ktorý neskoršie dostal aj Nobelovu cenu za fyziku.
1.2 Základné vlastnosti
Laser je vlastne kvantový generátor svetla. Čiže zdroj monochromatického koherentného svetla,
ktoré vznikne umiestnením zosilňovača svetla do optického rezonátora naladeného na príslušnú vlnovú dĺžku. Lasery majú všeobecne
relatívne malú účinnosť. Tá sa pohybuje zväčša okolo 1% a môže dosahovať maximálne niekoľko %. Zväzok elektromagnetického žiarenia
(ďalej lúč) vyžiarený laserom sa líši od svetla, ktoré produkujú iné zdroje, ako sú napr. žiarovky, žiarivky, reflektory alebo
vysokovýkonné oblúkové lampy. Jedinečnosť vlastností laserového lúča sa najlepšie ukáže pri porovnaní s iným, menej jedinečným
zdrojom svetla.
1.2.1 Monochromatičnosť
Od vlnovej dĺžky závisí Farba svetla , ako to
ukazuje obrázok 1.2.1 v prílohe. Vlnová dĺžka je rozdiel medzi dvoma po sebe nasledujúcimi vlnami. Označuje sa gréckym písmenom
(lambda). Každá farba viditeľného svetla má jej charakteristickú vlnovú dĺžku. Lúč HeNe lasera je veľmi
čisté červené svetlo. V podstate ide o svetlo s veľmi úzkym intervalom vlnových dĺžok bez zvyšku červenej časti spektra. Môžeme
povedať, že je skoro monochromatické alebo jednofarebné. Monochromatičnosť je jedinečná vlastnosť laserového svetla. Dokonale
monochromatické svetlo by obsahovalo svetlo len jedinej vlnovej dĺžky. Laserový lúč sa tejto predstave veľmi približuje, pretože obsahuje
svetlo úzkeho intervalu vlnových dĺžok. Dokonale monochromatické svetlo nedokáže vyprodukovať ani laser, ale lúč, ktorý laser produkuje,
sa k tomuto stavu značne približuje, na rozdiel od svetla z iných svetelných zdrojov.
1.2.2 Divergencia
(rozbiehavosť)
Obrázok 1.2.2a v prílohe znázorňuje svetlo vychádzajúce zo žiarovky vo všetkých smeroch. Všetky bežné
svetelné zdroje vyžarujú svetlo takýmto spôsobom. Napríklad automobilové reflektory alebo bodové svetlá sú vytvorené len optickými
systémami, ktoré sústreďujú svetlo zo zdroja do úzkeho smerového lúča. Avšak takýto lúč má vždy výrazne väčšiu rozbiehavosť ako
lúč produkovaný laserom.
Obrázok 1.2.2b znázorňuje vysokosmerové vlastnosti laserového lúča. Smerovosť je charakteristická
vlastnosť laserového lúča, ktorá spôsobuje jeho šírenie priestorom v podobe úzkeho kužeľa, ktorý sa vyznačuje veľmi malou
rozbiehavosťou. Ale rovnako ako v prípade monochromatičnosti, dokonale rovnobežný lúč svetla, na ktorý sa odvolávame, vytvoriť nedokážeme.
Všetky svetelné lúče, aj tie laserové, sa v priestore rozbiehajú. Ale laserové svetlo je veľmi vysoko smerové, na rozdiel od iných
zdrojov, a jeho rozbiehavosť je veľmi malá. V mnohých aplikáciách sú použité optické systémy, ktoré zmenšujú rozbiehavosť
výstupného laserového lúča. Pomocou týchto optických systémov sa dá zabezpečiť tak malá rozbiehavosť lúča, že lúč vyslaný zo Zeme
vytvorí na povrchu Mesiaca kruh s priemerom asi 800 m. (vzdialenosť Mesiaca je asi 400 000 km).
1.2.3
Koherencia
Obrázok 1.2.3a znázorňuje paralelné vlny svetla z bežného zdroja šíriace sa priestorom. Žiadna z týchto vĺn nemá
pevnú spojitosť s inou vlnou v tomto lúči. Takéto svetlo nazývame inkoherentným a myslíme tým to, že svetlo v lúči nemá žiadne
vnútorné usporiadanie.
Laserový lúč nemôže byť dokonale monochromatický alebo dokonale smerový, takisto nemôže byť ani dokonale
koherentný, ale v porovnaní s inými zdrojmi svetla je laserový lúč vysoko koherentný. Koherentnosť znamená, že v laseri majú jeho vlny
rovnakú fázu viď obr. 1.2.3b. Tieto vlny sa vyznačujú ďalekým dosahom až niekoľko sto kilometrov. Koherencia je veľmi významná vlastnosť
laserového lúča a odlišuje ho od svetla z iných zdrojov. Laser môžeme definovať ako zdroj koherentného žiarenia.
1.2.4 Ďalšie zaujímavé vlastnosti
Laserové svetlo je zdrojom intenzívneho žiarenia, ktorého hustotu je možné ostro
fokusovať(sústrediť) do takej malej stopy, že v nej ľahko dosiahneme intenzitu 1017 W/cm2. Ďalšou vlastnosťou lasera je jeho vysoký
kmitočet. Kmitočet žiarenia lasera je omnoho väčší ako doposiaľ používané kmitočty v komunikačných a podobných zariadeniach.
2 Princíp laseru
2.1 Súčasti lasera
Pre správnu funkčnosť lasera a jeho produkciu
koharentného svetla, musí obsahovať štyri funkčné elementy ( zobrazené na obrázku 2.1) : Aktívne médium, budiaci mechanizmus, mechanizmus
spätnej väzby, výstupné zrkadlo.
2.1.1 Aktívne médium
Pod aktívnym médiom rozumieme
zmes atómov alebo molekúl, ktoré je možné vzbudiť do excitovaného stavu a tak vytvoriť inverznú populáciu, čo vlastne znamená, že
väčšie množstvo častíc je v excitovanom stave ako v základnom energetickom stave. Musia byť splnené dve podmienky, aby došlo k vytvoreniu
tohto stavu. Prvou podmienkou je, že atómy musia zotrvávať na vyššej energetickej hladine relatívne dlhý čas, kvôli zabezpečeniu
väčšieho množstva emitovaných fotónov stimulovanou emisiou ako spontánnym vyžiarením. Druhou podmienkou je existencia efektívnej metódy
pumpovania atómov na vyššiu energetickú hladinu a tým zabezpečenie početnejšej obsadenosti vyšších energetických hladín. Zvýšenie
počtu na nižších hladinách má za následok znemožnenie zosilnenia emitovaného svetla pomocou stimulovanej emisie. Inými slovami, keď
atómy prechádzajú z vyšších energetických hladín na nižšie, väčšie množstvo fotónov sa vyžiari spontánnou emisiou ako emisiou
stimulovanou. A tieto fotóny sú vyžiarené v rozličných smeroch a s rôznou fázou.
Aktívne médium si môžeme predstaviť ako
optický zosilňovač. Lúč koherentného svetla vchádza na jednej strane do aktívneho média, kde je zosilnený stimulovanou emisiou a na
opačnej strane aktívneho média vychádza lúč zvýšenej intenzity. Aktívne médium takto zvyšuje výkon lasera.
Aktívne médium môže
byť plyn, kvapalina, pevný materiál, alebo spojenie dvoch polovodičových materiálov. Rubínový kryštál bol aktívnym médiom prvého
funkčného lasera. Kvapalné aktívne médium v laditeľných farbivových laseroch vznikne rozpustením niektorých farbív v etyl- alebo
metylalkohole.
Iné aktívne médiá obsahujú rôzne typy plynov alebo ich zmesi. Lasery, ktoré obsahujú zmes hélia a neónu alebo
oxid uhličitý, sú príkladom typického plynného aktívneho média. Ďalším príkladom aktívneho média sú P-N polovodičové prechody
obsahujúce napr. gálium arzenid alebo gálium fosforid.
2.1.2 Budiaci mechanizmus
Budiaci
mechanizmus je vlastne zdroj energie, ktorý budí (excituje alebo pumpuje) atómy aktívneho média z nižších hladín na vyššie, a tým vytvára
populačnú inverziu. V plynových a polovodičových laseroch je tento budiaci mechanizmus obyčajne vytvorený elektrickým prúdom prúdiacim cez
aktívne médium. Pevnolátkové a kvapalinové lasery bývajú najčastejšie budené opticky (napríklad rubínový laser). Atómy chrómu, ktoré
sú obsiahnuté v rubínovom kryštáli je možné budiť pomocou svetla výkonnej xenónovej výbojky.
2.1.3
Mechanizmus spätnej väzby
Mechanizmus spätnej väzby vracia časť koherentného svetla pôvodne vyprodukovaného v
aktívnom médiu späť do aktívneho prostredia pre ďalšie zosilnenie v stimulovanej emisii. Množstvo koherentného svetla vyprodukované
stimulovanou emisiou závisí od stavu populačnej inverzie a od intenzity stimulujúceho signálu. Tento mechanizmus sa obyčajne skladá z dvoch
zrkadiel umiestnených na oboch koncoch aktívneho média. Tieto zrkadlá zabezpečujú neustále odrazy koherentného svetla cez aktívne
médium.
2.1.4 Výstupné zrkadlo
Výstupné zrkadlo dovoľuje časti laserového svetla odrážajúceho sa
medzi dvoma zrkadlami opustiť laser vo forme lúča. Jedno zo zrkadiel mechanizmu spätnej väzby býva čiastočne priepustné a dovoľuje časti
svetla vyžiariť von. Množstvo svetla, ktoré môže prejsť výstupným zrkadlom je veľmi variabilné a závisí od typu lasera. Pohybuje sa od 1
% pri HeNe laseroch až po 80 % pri pevnolátkových laseroch.
2.2 Proces generovania
Prvým krokom je spustenie
budiaceho mechanizmu lasera energia, ktorý prúdi do aktívneho média a je príčinou toho, že atómy prechádzajú zo základných stavov do
stavov excitovaných. Práve v tomto momente sa začína vytvárať populačná inverzia. Niektoré excitované atómy prechádzajú spontánne
naspäť na základnú energetickú hladinu a vyžiaria pritom nekoherentné fotóny s vlnovou dĺžkou laserového svetla. Tieto fotóny sú však
vyžiarené v rôznych smeroch. Mnohé z týchto fotónov teda uniknú z aktívneho média, ale tie, ktoré sú vyžiarené v smere osi aktívneho
média vytvoria tak stimulovanú emisiu. Vyprodukovaný lúč po odraze od zrkadiel znovu prechádza do aktívneho prostredia. Časť tohto
žiarenia po prechode cez čiastočne priepustné zrkadlo opúšťa aktívne prostredie a vychádza v podobe laserového lúča.
Ak
počet fotónov, ktoré sa odrážajú medzi zrkadlami, je v čase približne stály, aj výkon lasera sa v čase nemení, je konštantný. Ak sa
toto množstvo znižuje, zmenšuje sa aj výkon na výstupe lasera, prípadne sa generovanie zastaví. Približná hranica, na ktorej laser začína
produkovať lúč, závisí od miery populačnej inverzie v aktívnom prostredí a od spustenia stimulovanej emisie. Straty výkonu v laseri
vznikajú nedokonalou odrazivosťou zrkadiel, rozptylom a difrakciami pri prechode lúča aktívnym prostredím, nesprávnym nastavením zrkadiel a
plánovanými stratami cez výstupné zrkadlo. Ak je množstvo vyprodukovaných fotónov väčšie ako množstvo ktoré sa „stratí", tak
výkon lasera rastie. V stave, keď je produkcia fotónov v rovnováhe so stratami, pracuje laser v ustálenom stave s konštantným výstupným
výkonom lúča. V impulzných laseroch dodáva budiaci mechanizmus energiu v krátkych impulzoch. Dobíjanie aj vybíjanie energie prebieha veľmi
rýchlo. Energia rýchlo dosiahne vysokú hladinu a potom dôjde k rýchlemu vybitiu, ktoré vyprodukuje laserový impulz. V laseroch pracujúcich
kontinuálne dodáva budiaci mechanizmus konštantné množstvo energie do aktívneho prostredia. Systém pracuje v ustálenom stave, keď sú
dodávaná a vyprodukovaná energia v rovnováhe. Výsledkom týchto pomerov je konštantný lúč na výstupe lasera.
3
Rozdelenie laserov
3.1 Prehľad
1. Podľa aktívneho média
a) Pevnolátkové (rubínový, Nd:YAG,
Nd:sklený)
b) Polovodičové
c) Kvapalinové (organické farbivové)
d) Plynové(HeNe, Ar, Kr,
CO2, N, excimerové, iónové = HeCd)
2. Vyžarovanej vlnovej dĺžky
a) Lasery v oblasti viditeľného
svetla
b) Ultrafialové
c) Infračervené
d) Röntgenové
3. Podľa budiaceho
mechanizmu
a) Jadrovou energiou (reaktorom, jadrovým výbuchom)
b) Chemický (fotochemickou disociáciou)
c) Termodynamický(zahrievaníma ochladzovanímvzduchu)
d) Optický (výbojkou, laserom, slnečným svetlom
a rádioaktivitou)
e) Elektricky (zrážkami v el. výboji, zväzkom nabitých častíc)
4 Niektoré typy
laserov
4.1 Opticky budené pevnolátkové lasery
V súčastnej dobe je na trhu veľký počet týchto laserov,
ktoré sa odlišujú základným materiálom, aktívnymi iónmi, ktorými je základný materiál dopovaný a charakteristikami výstupného lúča.
Zo všetkých vyvinutých pevnolátkových laserov majú iba niektoré z nich využitie v priemyselnom a laboratórnom prostredí. Patrí sem
rubínový, Nd:YAG laser a lasery na báze neodýmom dopovaných skiel. Rovnako ako CO2 systémy, aj pevnolátkové laserové systémy sú často
využívané v priemyselných aplikáciách pri spracovaní materiálov, ktoré zahŕňa vŕtanie, rezanie a popisovanie .
4.1.1 Rubínové lasery
Rubínové lasery sú konštruované s Q-spínaním s rotujúcim zrkadlom alebo s rôznymi
elektro-optickými zariadeniami. Výstupný výkon je 100-200 mW, impulzné šírky 3-30 ns a frekvencia 1-16 impulzov/s. Pri využití tzv.
módového zámku je schopný rubínový laser vygenerovať výstupný výkon v GW s jednotlivými impulzmi v rozsahu niekoľkých ps. Na budenie
rubínových laserov sa využívajú xenónové výbojky priamočiarej alebo špirálovi-tej konštrukcie. Teplo generované týmito systémami
vyžaduje chladenie vodou alebo vzduchom, aby nedošlo k poškodeniu laserovej tyčky a iných súčiastok prehriatím.
Bežné
rubínové systémy však pracujú v impulzných režimoch i keď môžu pracovať aj v kontinuálnom móde. Energia obsiahnutá v impulze má
hodnotu od mJ po niekoľko desiatok J a v špeciálnych prípadoch stovky J. Normálne je činnosť obmedzená na malú frekvenciu opakovania
impulzov (maximálne 3 impulzy/s). Najjednoduchším príkladom využitia rubínových laserov je vŕtanie dier do diamantov. Takéto systémy majú
výstupné energie o 2-4 J. Dĺžka trvania impulzov je okolo 0,5 ms a frekvencia opakovania je 1 impulz/s. Ďalšia zmena je napr. zatavenie
tenkých medených drôtov do rubínových systémov s konečným výstupným výkonom 100 kW a frekvenciou opakovania menej ako 1 impulz/s s dobou
impulzu 0,2-5 ms. 11
Iné využitie takýchto laserových systémov zahŕňa holografickú aplikáciu s rubínovými systémami, ktoré
majú dlhé koherentné dĺžky (1-2 m) na vytváranie hologramov s veľkou snímanou plochou.
4.2 Polovodičové diódové
lasery
Výroba laserových diód je zložitý technologický proces. Obrázok 4.2 zobrazuje tri základné typy diód. Laserové
diódy pozostávajú z PN prechodu v kryštáli arzenidu gália (GaAs), ktorý sa najčastejšie využíva na výrobu laserových diód. Ak
potrebujeme dosiahnuť vyššie výkony, jednotlivé diódy sa spájajú do tzv. matíc a tým sa znásobuje ich výkon podľa požiadavky.
Jednotlivé diódy sú v matici zapojené sériovo. Laserové diódy našli využitie v hlasovej komunikácii, bezpečnostných systémoch,
optickom prenose dát a v mnohých iných aplikáciách. Využívajú sa pri meraní vzdialeností, pri vytyčovaní v zememeračstve, v radarovej
technike a v leteckej technike ako výškomery. Ich výhodou sú malé rozmery, možnosť napájania z batérií, nízka cena a možnosť zorad'ovania
do radov, čím sa dosiahnu výkony niekoľkých stoviek wattov.
4.3 Organické farbivové lasery
Organické
farbivové lasery v výstupnými vlnovými dĺžkami vo viditeľnej a infračervenej oblasti môžu pracovať v kontinuálnom alebo v impulznom
režime. V súčasnosti existuje veľké množstvo farbív, ktoré vytvárajú široké spektrum možností využitia. Farbivá sú rozpustené
v alkohole ( metanol, etanol ) alebo vo vode s pridaným saponátom, ktorý sa podieľa na tom, že zvyšuje efektívnosť generovania žiarenia.
4.4 Plynové lasery
Plynové lasery sa delia do 4 kategórií v závislosti od typu plynu použitého ako
aktívne médium: 1. Neutrálne atómové plynové lasery, ktoré využívajú ako aktívne médium elektricky neutrálne atómy
plynu. Najhlavnejší zástupca tejto skupiny je HeNe plynový laser.
12
2. Iónové lasery obsahujú aktívne
médium ionizovaný plyn. Najdôležitejší zástupcovia tohto druhu laserov sú argónové a kryptónové plynové lasery. Niektoré lasery, ako
napr. hélium kadmiový (HeCd), obsahujú v aktívnom médiu kovové ióny v plyne.
3. Aktívne médium molekulárnych
laserov sa skladá z molekúl plynov. Najbežnejší molekulárny laser je C02 laser, ale poznáme aj iné molekulárne plyny ako CO, HF, OF
a podobne.
4. Každá molekula aktívneho média excimerových laserov je zložená z atómu inertného plynu a atómu
halogénového plynu. Patria sem zlúčeniny ako KrF a XeF.
4.4.1 Hélium-Neónové lasery
Najbežnejšie
dostupné HeNe lasery ( obrázok 4.4.1 ) pracujú na vlnovej dĺžke 632,8 nm a súbežne môžu produkovať výkon pohybujúci sa v rozmedzí 0,5-50
mW pri vysokovýkonových systémoch, ktoré sa najčastejšie využívajú pri holografickej interferometrii. Upravené HeNe lasery obsahujú
zameniteľné súpravy zrkadiel na vytváranie lúča na vlnových dĺžkach 1,15 um a 3,39 um. HeNe lasery sú:
1. HeNe lúč
má malú divergenciu.
2. HeNe lúč má vysokú časovú a priestorovú koherenciu.
3. HeNe lasery
využívajú vstavaný modulátor.
4. HeNe plazmová trubica má dlhú životnosť oproti ostatným typom laserov.
5. Konštrukcia HeNe laserov je odolná a môže pracovať aj v nepriaznivých podmienkach.
6. HeNe lasery
sú relatívne lacné.
4.4.1.1 Princíp činnosti HeNe lasera
Výbojkou naplnenou zmesou hélia a neónu
preteká prúd elektrónov, ktoré sa zrážajú s atómami He, tie sa potom zrážajú s atómami Ne a atómy neónu emitujú laserové svetlo. To
sa odráža od rovnobežných zrkadiel na koncoch výbojky. Mnohonásobnými odrazmi sa zosilňuje len zväzok svetla rovnobežný s osou výbojky.
Jedno zrkadlo je čiastočne priepustné a preto laserové svetlo ním prechádza a vytvára laserový zväzok
4.4.2
Hélium-Kadmiové lasery
HeCd laser je príklad iónového plynového lasera, ktorý využíva ako aktívne médium ionizované
pary kovov (kadmium). HeCd laserové systémy generujú bežne kontinuálny výstupný lúč s výkonom 10-20 mW vlnovej dĺžky 441,6 nm (v modrej
oblasti) a 2-3 mW na vlnovej dĺžke 325 nm (v blízkosti ultrafialovej oblasti). Výstupné vlnové dĺžky môžu byť upravené zmenou dielektricky
povrchovo upravených zrkadiel. HeCd laser môže generovať lúč v ultrafialovej časti spektra. Ten sa využíva pri „mazacej" funkcii
experimentálnych optických zariadení využívaných na uchovávanie dát a manipuláciu s nimi.
4.5 Chemické
lasery
Bolo vyvinutých množstvo laserov, v ktorých je populačná inverzia vytvorená pomocou chemických reakcií. Dostávajú sa
do popredia a v budúcnosti budú v hojnej miere komerčne využívané. Tieto zariadenia ponúkajú široké možnosti uplatnenia. Môžu pracovať
v kontinuálnom aj impulznom režime, poskytujú vysoké výkony v oblasti infračervenej časti spektra (3-4 μm) a umožňujú fokusovaním lúča
dosahovať vysokú hustotu žiarenia, podobnú s parametrami CO2 laserov. Pracujú s vysokou pracovnou účinnosťou. Všetky chemické lasery
obsahujú štyri hlavné súčasti:
1.Systém zmiešavania plynu.
2. Niektorú z metód iniciácie
chemickej reakcie.
3. Optický rezonátor, v ktorom prebieha generovanie žiarenia.
4. systém na odvod
odpadových plynov z priestoru rezonátora.
Zahájenie chemickej reakcie môže byť zabezpečené výbojkou (ultrafialovou fotolýzou),
elektrickým výbojom, ohrevom (plameňom alebo oblúkovým výbojom) alebo priamo chemickým procesom.
5 Využitie
v praxi
5.1 Využitie v priemysle
1. Zváranie, Spájkovanie
2. Rezanie
3. Označovanie
a popisovanie
4. Vŕtanie otvorov
5. Uberanie materiálu
6. Úprava povrchov
7. Pretavenie povrchovej vrstvy
8. Legovanie
9. Disperzia(rozptýlenie)
10. Výroba prototypov
11. Trieskové obrábanie
12. Martezinské kalenie
5.1.1 Zváranie
Pre zváranie laserovým lúčom sa používajú najmä CO2 lasery a Nd: YAG lasery, menej často
aj vysokovýkonné diódové lasery. Pre zváranie železných materiálov má najväčší význam CO2 laser. Laserový lúč tu možno viesť tak,
aby sa dosiahla vysoká rýchlosť zvárania až 20m za minútu. Podľa výkonu lasera je možné ho využiť a na zváranie hrubých plechov.
Spájanie materiálov sa zaraďuje do tavného zvárania bez silového pôsobenia. Pri zváraní je laserový lúč vedený a fokusovaný na miesto
zvárania, pričom sa jeho pôsobenie obmedzuje na veľmi malú plochu. Pri niektorých typoch laseroch sa plech o hrúbke 1mm dokáže zvárať zo
vzdialenosti 1 m.
5.1.2 Rezanie
Využitie lasera ako rezného nástroja je jednou z jeho hlavných aplikácií.
Jeho výkon dovoľuje rezať materiály, ktoré pri použití iných rezných metód predstavujú často krát obrovské problémy. Problémom
bývajú len materiály vysokej odrazivosti, pretože pri prvom strete s laserom, časť jeho žiarenia odrazia odrazená od povrchu bez
žiadaného tepelného efektu. No časom sa zväčšuje teplota materiálu, tým sa znižuje odrazivosť a absorbovaná energia sa zvyšuje. Pri
rezaní diamantu teplota v jeho okolí dosahuje až 50 000 °C.
5.2 Využitie vo fyzike
1.V jadrovej
fyzike
2. Ako laserový urýchlovač častíc
3. Na riadenie termojadrovej reakcie
4. Na separáciu izotopov
5. Vláknová
a integrovaná optika
5.2.1. Riadenie termojadrovej reakcie
V súčasnej dobe vzrastá dopyt po energiách
a doterajšie zdroje sa do budúcnosti javia ako neefektívne. Preto je tu myšlienka využitia termojadrovej reakcie, ktorá sa dá uskutočniť
jedine nekontrolovane (vodíková bomba). Pri tejto reakcií sa jadrá atómov spájajú ale musia dosiahnuť určitú aktivačnú energiu na spojenie
ich jadier. Preto sa uvažuje o súčasnom zahrievaní viacerými lasermi pričom sa teplota musí zväčšiť o 3 * 109 K . Pri súčasných
pokusoch, aby nedošlo k výbuchu, sa experimentuje na reakčných doskách o veľkosti pár mikrometrov. Preto sa využívajú rôzne optické
zrkadlá a šošovky. Uvažuje sa o vytvorení ochranného obalu, ktorý už nebude z kovu ale z magnetického pola, ktoré sa žiaľ zatiaľ
nepriepustné nepodarilo vytvoriť.
5.3 Využitie v medicíne
1. Laseroterapia rán a vredov, popálenín,
jaziev,ekzémov
2. Laseroterapia pri poruchách pohybového ústrojenstva a kĺbových porúch
3. Laseroterapia pri poruchách
zmyslových a vnútorných orgánov
4. Operácia oka laserom
5. V neurochirurgii
6. V chirurgii
7. V onkológii
8. V stomatológii
5.4 Využitie vo vojenskej technike
1. Výskum o zostrelení interkontinentálnej
balistickej strely (projekt SDI)
2. Laserové zameriavače
3. Výskum laserových zbraní
4. Zostrelenie vypálených
projektilov
5. Zostrelenie lietadiel
5.5 Využitie v každodennom živote
1. Meracie
zariadenia(laserová vodováha, merače vzdialenosti )
2. CD, DVD, Blu-ray čítanie a napalovanie
3. Laserové tlačiarne
4.
Telekomunikácia a optické siete
5. Spojenie laser-mikroskop- napr. vypaľovanie mien na vlas
6. Čítanie čiarových kódov
6 Bezpečnosť pri práci s laserami
Vysoká energia v lúči lasera, ktorý je často krát neviditeľný môže
spôsobiť rôzne zranenia. Preto sú povinne značené dohodnutou značkou a sú kategorizované do 4 kategórií:
- lasery
kategórie I – Sú relatívne neškodné. Neplatia pre ne žiadne obmedzenia a nemal by spôsobovať ani poškodenie pri priamom pohľade do
neho. Napríklad sú to lasery použité v CD prehrávačoch a čítačkách čiarového kódu. Max. výkon 0,4 mikroW.
- lasery
kategórie II – Nemalo by dôjsť k poškodeniu sietnice, pretože oko sa zatvorí za 0,25s. Tento čas nestačí na poškodenie buniek
zraku. Max. výkon približne 1mW.
- lasery kategórie III – Tieto lasery v spojitom režime emitujú žiarenie vo viditeľnej
oblasti spektra, ktorého výkon nepresahuje 5mW, a v pulznom režime zväzok o výkone menšom než 0,5W. Pri difúznom odraze žiarenia
nevznikne poškodenie zdravia.
- lasery kategórie IV – Lasery, ktoré svojimi parametrami presahujú max. hodnoty triedy III. Pri
týchto laseroch aj difúzny odraz môže spôsobiť vážne poranenia vrátane popálenín– presnejšie, pri ~50 W ťažké popáleniny,
od 200 W výkonu prerežú človeka napoly, od 10 kW vyššie ostane z človeka len popol.
Keď laserový lúč dopadá na ľudské
telo, časť tohto žiarenia je absorbovaná telesnými tkanivami. Ak je dopadajúca intenzita dostatočne vysoká, absorbovaná energia môže
spôsobiť ich poškodenie. Dve súčasti ľudského tela sú výrazne citlivejšie na poškodenie laserovým žiarením. Je to pokožka a oči.
Táto časť popisuje v prvom rade nebezpečenstvo poškodenia zraku, pretože môže byť zapríčinené veľmi malými výkonmi laserového
žiarenia a poškodenie zraku je závažnejšie ako poškodenie iných častí tela.
Záver
Týmto projektom sme
vás chceli oboznámiť s fascinujúcimi zariadeniami zvaných lasery, ich históriou, princípom ich činnosti, rôznymi druhmi a ich využitím
v praxi. Pred bezmála päťdesiatimi rokmi ešte nik nepredpokladal, že lasery sa budú využívať v takom hojnom počte ako dnes. Môžeme sa
s nimi stretnúť všade, uľahčujú nám prácu s meraním, pomáhajú vyliečiť choroby alebo skrátiť čas strávený v nemocnici a sú aj
stelesnením nepredstaviteľnej sily, ktorá sa využíva aj na vojenské účely a to v podobe ochrany ale i v podobe útoku. Dnes tak
všestranne využívané CD a DVD by bez laserov ani nemohli vzniknúť a bez nich by neboli ani presne vyvŕtané alebo vyrezané otvory, ktoré
sú v dnešnej výpočtovej technike tak potrebné. Podľa nášho názoru len budúcnosť ukáže či vynájdenie tejto technológie bolo pre
ľudstvo ako také, osožné alebo sa znova zneužije tak nechválne ako napríklad atómová bomba. Veríme, že sa vám náš projekt páčil a
dozvedeli ste sa niečo nové a že sme vo vás zbudili záujem o lasery a v lepšom prípade o fyziku ako predmet samotnú.
Zones.sk – Zóny pre každého študenta